DE3783428T2

DE3783428T2 - Gegen wechselwirkungen zwischen tabletten und huellrohre resistentes kernbrennelement.

Info

Publication number: DE3783428T2
Application number: DE8787115056T
Authority: DE
Inventors: Harry Max Ferrari
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1986-10-17
Filing date: 1987-10-15
Publication date: 1993-06-09
Anticipated expiration: 2007-10-16
Also published as: KR880005625A; EP0264820B1; EP0264820A3; US4783311A; DE3783428D1; EP0264820A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kernbrennstab zur Verwendung in Kernreaktoren, wobei der Brennstab gegen Brennstofftabletten-Hüllrohr-Wechselwirkung beständig ist.
Kernreaktorsysteme zur Erzeugung elektrischer Energie erzeugen Wärme zur Herstellung von Dampf, wobei der hergestellte Dampf zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet wird. In einem Kernreaktor sind Kernbrennstäbe vorhanden, die vorzugsweise einen angereicherten Kernbrennstoff wie beispielsweise Tabletten aus mit dem U-235-Isotop angereichertem Urandioxyd enthalten. Solche Kernbrennstäbe haben metallene Hüllrohre, die an ihren Enden gasdicht abgeschlossen sind und die Brennstofftabletten aufnehmen. Das Hüllrohr muß seine Integrität behalten, um in einem Druckwasserreaktor oder einem Siedewasserreaktor jegliche Leckage in oder aus dem Hüllrohr zu vermeiden.
Kernbrennstoffhüllrohre werden normalerweise aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung hergestellt. Im Betrieb eines Kernreaktors werden Spaltmaterialien aus den Brennstofftabletten freigesetzt. Diese freigesetzten Materialien, zu denen auch flüchtige Materialien gehören, stellen ein Problem hinsichtlich Spannungskorrosion und eines möglichen Bruchs des metallenen Hüllrohrs dar. Dieses Phänomen wird allgemein als "Brennstofftabletten-Hüllrohr-Wechselwirkung" bezeichnet. Die chemische Reaktion des metallenen Hüllrohrs mit energiereichen Spaltmaterialien wie beispielsweise Jod, Cäsium, Kadmium oder anderen Elementen in Verbindung mit Hüllrohrbeanspruchungen im Betrieb kann Spannungskorrosionsrißbildung in dem metallenen Hüllrohr und eine sich daraus ergebende Durchdringung der Hüllrohrwand ergeben. Um Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkung zu vermeiden, betreiben Energieversorgungsunternehmen Kernkraftwerke häufig in einer solchen konservativen Weise, daß etwa 3% bis 5% der Kraftwerksverfügbarkeit verloren gehen.
Es sind schon Versuche unternommen worden, die Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkung zu vermeiden, beispielsweise durch Beschichten der Innenoberfläche der Hüllrohrwand mit verschiedenen Schutzüberzügen, oder durch Mitextrudieren einer reinen Zirkoniumbarriere auf der Innenseite einer Hüllrohrwand aus einer Zirkoniumlegierung. In der US 3 925 151 wird beispielsweise vorgeschlagen, in dem Hüllrohr zwischen der Rohrwand und den Brennstofftabletten eine Metallauskleidung anzuordnen, beispielsweise eine Auskleidung aus Zirkonium oder aus einer Zirkoniumlegierung. Zwischen dem Hüllrohr und der Auskleidung ist eine Schicht eines hochschmierfähigen Materials wie beispielsweise Graphit oder Molybdändisulfid eingebracht, die als Grenzschicht zwischen der Auskleidung und dem Hüllrohr dient und örtliche Spannungen auf das Hüllrohr infolge von Brennstoffausdehnung und Brennstoffrißbildung zu verringern. Die Verwendung einer solchen hochreinen, einen geringen Sauerstoffgehalt aufweisenden Zirkoniumauskleidung in einem Hüllrohr ist zwar nützlich, führt aber zu hohen Kosten bei solchen Brennstäben.
Außerdem ist vorgeschlagen worden, ein Zirkoniumhüllrohr zu verwenden, das eine Graphitschicht auf seiner Innenoberfläche zwischen der Hüllrohrwand und dem Brennstoff aufweist. Solche Maßnahmen sollten dazu dienen, eine Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkung bei mit natürlichem Uran betriebenen CANDU Reaktoren zu vermeiden. In der US-A-4 146 431 ist beispielsweise ein nichtangereichertes Uran enthaltender Kernbrennstab beschrieben, bei welchem eine nichtbindende Auskleidungsschicht zwischen den Tabletten und dem Hüllrohr angeordnet ist, wobei diese Schicht aus Graphit, Siloxan und Silizium ausgewählt ist. Die nichtbindende Schicht kann auf die Innenoberfläche des Hüllrohrs oder auch auf die Oberfläche der Brennstofftabletten aus nichtangereichertem Urandioxyd aufgebracht werden.
Die US-A-4 146 431 nimmt auch auf die US 3 119 747 Bezug, welche die Verwendung eines Hochtemperatur-Schmiermittels wie beispielsweise Graphit zwischen dem Brennstoffkörper und der Brennstabhülle in Verbindung mit einem länglichen Brennstoffkörper mit allmählicher Verjüngung seiner Enden beschreibt.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann ein dünner Überzug von beispielsweise weniger als 0,127 mm (0,005 Zoll) Dicke aus einem hochtemperaturbeständigen Schmiermittel wie beispielsweise Molybdändisulfid auf die Außenoberfläche des Brennstoffkörpers und/oder die Innenoberfläche der Hülle aufgebracht werden.
Unglücklicherweise verlieren solche Graphitschichten, wie sie in der US-A-4 146 431 und der US-A-3 119 747 vorgeschlagen werden, obwohl sie extrem wirksam sind, ihre Wirksamkeit mit dem Abbrand und sind oberhalb von 10.000 bis 15.000 Megawatttage/Tonnen Uran (MWD/MTU) Brennstoffabbrand im wesentlichen unwirksam. Spaltprodukte aus dem Brennstoff reagieren chemisch mit dem Graphit und bewirken, daß der Graphit seine Schmiereigenschaften verliert. Der Graphit ist jedoch insofern attraktiv, als er verhältnismäßig billig ist, um einen Graphitüberzug auf der Innenoberfläche des Hüllrohrs aufzubringen.
Die Beschichtung von Kernbrennstofftabletten mit anderen Materialien als Schmiermittel ist auch schon aus verschiedenen Gründen vorgeschlagen worden. In der US-A-3 427 222 sind beispielsweise Brennstofftabletten beschrieben, die einen durch Aufschmelzen verbundenen Überzug aufweisen, der aus einem borhaltigen Material besteht, das als abbrennbarer Absorber dient.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obigen Probleme zu lösen und einen Kernbrennstab zu schaffen, der angereicherten Urandioxydbrennstoff enthält und das gegen Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkungsschäden immun ist.
Demgemäß besteht die Erfindung in einem Kernbrennstab, wie er in Anspruch 1 angegeben ist.
Die Erfindung besteht also in einem Kernbrennstab, der gegen Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkung resistent ist und ein Hüllrohr aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung aufweist, das einen Überzug aus Schmiermittel, vorzugsweise Graphit, auf seiner Innenfläche aufweist, und das eine Vielzahl von Kernbrennstofftabletten aus angereichertem Urandioxyd enthält, die eine Schicht ausreichender Dicke zur Absorption von Spaltprodukten aufweisen, wobei der Überzug thermisch und chemisch mit dem angereicherten Urandioxydbrennstoff kompatibel ist. Der Überzug auf der umfangsmäßigen Außenfläche der Tabletten kann ein abbrennbarer Absorber sein, wie beispielsweise Zirkoniumborid oder Gadoliniumoxyd, ein Metall wie beispielsweise Zirkonium oder Chrom, ein Metalloxyd wie beispielsweise Zirkoniumdioxyd, oder Graphit sein. Die Schmiermittelschicht auf der Innenoberfläche des Hüllrohrs ist zwischen etwa 4 und 50 Mikrometer dick, und der Überzug auf der umfangsmäßigen Außenfläche der Tabletten ist zwischen etwa 10 und 200 Mikrometer dick.
Der Überzug auf den Tabletten absorbiert schädliche Spaltprodukte, während die Schmiermittelschicht auf der Hüllrohrinnenfläche Schmierung erzeugt, so daß sowohl der Spannungspegel wie auch die Konzentration schädlicher chemischer Spaltprodukte verringert werden, um so einen gegen Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkung resistenten Kernbrennstab zu schaffen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend lediglich beispielsweise mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Hüllrohr, das bei den Kernbrennstab nach der Erfindung verwendet wird,
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Kernbrennstofftablette, wie sie in dem Kernbrennstab nach der Erfindung verwendet wird,
Fig. 3 in schematischer Darstellung einen teilweisen Schnitt durch einen Kernbrennstab nach der Erfindung, und
Fig. 4 einen vergrößerten Schnitt durch den in Fig. 3 dargestellten Brennstab in einer diametralen Längsebene desselben.
Die vorliegende Erfindung schafft einen verbesserten Kernbrennstab, der gegen Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkungsschäden resistent ist. Der Brennstab enthält einen angereicherten Urandioxyd-Kernbrennstoff wie beispielsweise mit den U-235-Isotop angereichertes Urandioxyd. Bei einem solchen angereicherten Kernbrennstoff stellt sich das Problem der Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkung wegen der langen Abbranddauer und dem daraus resultierenden Kontakt der Spaltprodukte mit der Hüllrohrinnenwandung stärker. Durch Vorsehen einer Schicht aus speziellem Schmiermittel, vorzugsweise Graphit, ausreichender Dicke auf der Innenwand des Hüllrohrs und einem spezifischen Überzug auf der Außenfläche der Brennstofftablette entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkung vermieden.
Gemäß den Figuren 1 und 2, auf die nunmehr Bezug genommen wird, umfassen die Komponenten des vorliegenden Kernbrennstabs ein metallenes Hüllrohr 1 mit einer darauf aufgebrachten Schmiermittelschicht, vorzugsweise aus Graphit, und einen angereicherten Kernbrennstoff 9, der auf seiner Außenfläche einen Überzug aufweist. Das metallene Hüllrohr 1 besteht aus einem Rohrteil 3, das aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung hergestellt ist, daß weniger als etwa 5 Gewichtsprozent Legierungselemente aufweist und in Kernreaktoren verwendbar ist. Solche Zirkoniumlegierungen enthalten Elemente, welche die mechanischen Eigenschaften des Zirkoniummetalls und/oder die Korrosionsbeständigkeit des Zirkoniummetalls verbessern. Die zur Herstellung solcher Legierungen verwendeten Elemente umfassen Niob, Sauerstoff, Zinn, Eisen, Chrom, Nickel, Molybdän, Kupfer, Vanadium und dergleichen. Besonders brauchbare Legierungen sind eine etwa 2,5 % Niob enthaltende Zirkoniumlegierung und die als Zirkaloy-2 und Zirkaloy-4 bekannten Zirkoniumlegierungen. Zirkaloy-2 enthält, nach Gewicht, etwa 1,2 bis 1,7 % Zinn, 0,07 bis 0,20 % Eisen, 0,05 bis 0,15 % Chrom und etwa 0,03 bis 0,08 % Nickel, wobei der Rest im wesentlichen Zirkonium ist. Zirkaloy-4 enthält, nach Gewicht, etwa 1,2 bis 1,7 % Zinn, 0,12 bis 0,18 % Eisen und 0,05 bis 0,15 % Chrom, wobei der Rest im wesentlichen Zirkonium ist.
Auf der Innenoberfläche 5 des metallenen Hüllrohrs 3 ist eine Schmiermittelschicht 7, vorzugsweise aus Graphit, vorgesehen. Die bevorzugte Dicke dieser Schicht liegt zwischen 4 und 50 Mikrometer. Eine Graphitschicht von etwa 4 Mikrometer kann durch In-Berührung-Bringen der Rohroberfläche mit einer Suspension aus Graphit in Isopropylalkohol und Verdampfenlassen des Alkohols aufgebracht werden. Eine dickere Graphitschicht würde bessere Schmiereigenschaften zeigen, wäre aber schwieriger aufzubringen. Das gleichförmige Aufbringen einer dünneren Schicht als etwa 4 Mikrometer wäre schwierig und könnte Teile der Innenoberfläche 5 des metallenen Hüllrohrs 3 ohne ausreichendes Schmiermittel lassen.
Die Kernbrennstofftabletten 9 sind Tabletten mit etwa zylindrischer Form aus Urandioxyd, das mit dem U-235-Isotop angereichert sind und eine äußere Umfangsfläche 13 aufweisen, auf der ein Überzug 15 aus einem Material aufgebracht ist, das Spaltprodukte absorbiert und in ausreichendem Maße chemisch und thermisch kompatibel mit dem angereicherten Urandioxyd ist, um ein Abplatzen des Überzugs zu verhindern.
Der Überzug 15 auf den Brennstofftabletten 11 kann aus einer Vielfalt von Materialien bestehen, wie beispielsweise aus abbrennbaren Absorbern oder Materialien mit verhältnismäßig niedriger Neutronenabsorption im Vergleich zu abbrennbaren Absorbern, vorausgesetzt, daß er eine ausreichende Dicke hat, um mindestens den größten Teil der sich aus der Uranspaltung ergebenden Spaltprodukte zu absorbieren, und daß er chemisch und thermisch mit dem angereicherten Urandioxyd kompatibel ist. Um einige Beispiele von Überzügen aus einem abbrennbaren Absorber anzugeben, könnte der Überzug Zirkoniumdiborid (ZrB&sub2;), Borkarbid (B&sub4;C), Bornitrid (BN), Gadoliniumoxyd (Gd&sub2;O&sub3;), oder eine borhaltige abbrennbare Absorberglasurzusammensetzung aufweisen, wie sie in der US-A-3 427 222 beschrieben ist. Die Materialien, die eine verhältnismäßig niedrige Neutronenabsorption im Vergleich zu den abbrennbaren Absorbern haben, müssen chemisch und thermisch mit dem angereicherten Urandioxydbrennstoff kompatibel sein, während sie auch die Spaltprodukte aus dem Brennstoff absorbieren können müssen. Mit verhältnismäßig niedriger Neutronenabsorption ist gemeint, daß solche Materialien eine Neutronenabsorption von weniger als 10 % der Neutronenabsorption eines abbrennbaren Absorbers haben. Bekanntermaßen haben abbrennbare Absorber im allgemeinen einen mikroskopischen Neutronenabsorptionsquerschnitt oberhalb von etwa 750 barn (Neutronen bei 2200 m/s). Um Beispiele von Materialien mit verhältnismäßig niedriger Neutronenabsorption anzugeben, könnte der Überzug ein Metalloxyd wie beispielsweise Zirkoniumdioxyd (ZrO&sub2;) oder Aluminiumoxyd (Al&sub2;O&sub3;), ein Metall wie beispielsweise Kupfer, Nickel, Chrom oder dgl., oder Graphit enthalten.
Die Dicke des Überzugs 15 muß ausreichend groß sein, um die Spaltprodukte zu absorbieren. Wenn der Überzug jedoch dicker als notwendig gemacht wird, nimmt er Raum weg, der von Brennstoff eingenommen werden könnte. Die Fähigkeit eines Überzugsmaterials zum Absorbieren der Spaltprodukte steht im allgemeinen mit der Dichte des Materials in Beziehung, wobei dichtere Materialien effektiver im Abfangen der Spaltprodukte als weniger dichte Materialien sind. Für die Vielfalt der zur Verwendung als Überzug 15 auf den Brennstofftabletten 11 vorgesehenen Materialien dürfte die zur Absorption der Spaltprodukte erforderliche mittlere minimale Überzugsdicke etwa 10 Mikrometer betragen. Die abbrennbaren Absorberüberzüge wie beispielsweise ZrB&sub2;, B&sub4;C, BN, Gd&sub2;O&sub3;, und borhaltige abbrennbare Absorberglasurzusammmensetzungen sind im allgemeinen dichter als die verhältnismäßig schwach neutronenabsorbierenden Materialien. Von den als Überzug 15 brauchbaren Materialien mit niedriger Neutronenabsorption sind Graphit und Metalloxyde wie beispielsweise ZrO&sub2; und Al&sub2;O&sub3; im allgemeinen weniger dicht als brauchbare Metalle wie beispielsweise Zirkonium, Kupfer, Nickel, Chrom oder dgl.. Deshalb erfordern die Neutronenabsorbermateralien den dünnsten Überzug für eine vollständige Absorpion der Spaltprodukte, während Metallüberzüge etwas dicker sein müssen, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen, und eine vollständige Absorption durch Metalloxyde und Graphit erfordert einen noch dickeren Überzug.
Während eine mittlere Minimaldicke des Überzugs 15 für die Vielzahl der als Überzug 15 verwendbaren Materialien bei 10 Mikrometer liegt, kann der Überzug bis zu 200 Mikrometer dick sein. Um die Spaltprodukte vollständig zu absorbieren bei gleichzeitiger Maximierung des für Brennstoff verfügbaren Raums, liegt der bevorzugte Dickenbereich des Überzugs 15 bei 15 bis 25 Mikrometer.
Ein zusammengesetzter Kernbrennstab 17 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Figur 3 dargestellt. Der Kernbrennstab 17 weist das metallene Hüllrohr 1 auf, das aus einem Rohrteil 3 aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung mit der Schmiermittelschicht 7, vorzugsweise Graphit auf seiner Innenoberfläche 5 hergestellt ist, und der Rohrkörper enthält eine Vielzahl von angereicherten Urandioxyd-Brennstofftabletten 9 im wesentlichen zylindrischer Form 11 mit dem Überzug 15 auf ihrer umfangsmäßigen Außenfläche 13. Die überzogenen Brennstofftabletten 9 werden durch eine untere Endkappe 19 aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung, der zuvor mit dem metallenen Hüllrohr verschweist worden ist, und einer oberen Endkappe 21, die ebenfalls aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung besteht, gehalten. Ein leerer Raum bzw. einer Kammer 23 ist zwischen der obersten Brennstofftablette und der oberen Endkappe vorgesehen, wobei ein Vorspannorgen wie beispielsweise eine Feder 25 eingesetzt ist, um die beschichteten Kernbrennstofftabletten 9 in dem metallenen Hüllrohr 1 zu halten. Zwischen den beschichteten Kernbrennstofftabletten 9 und der Graphitschicht 7 auf der Innenoberfläche des Rohkörpers 3 verbleiben Spielräume 27 (Fig. 4). Diese Spielräume und die Kammer sind mit einer hochreinen inerten Atmosphäre gefüllt, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, beispielsweise mit hochreinem Helium.
Bei der in Fig. 4 dargestellten bevorzugten Ausführungsform hat die Graphitschicht 7 auf der Innenoberfläche 5 des Rohrkörpers 3 eine Dicke A, vorzugsweise von mindestens 4 Mikrometer, während der Überzug 15 auf der umfangsmäßigen Außenfläche 13 der angereicherten Brennstofftabletten 11 eine Dicke B von mindestens 10 Mikrometer und vorzugsweise zwischen etwa 15 und 25 Mikrometer hat. Da der Überzug 15 auf den angereicherten Kernbrennstofftabletten die schädlichen Spaltprodukte absorbiert, braucht die Graphitschicht 7 auf dem metallenen Hüllrohr die Spaltprodukte nicht zu absorbieren und behält deshalb den größten Teil ihrer wünschenswerten Schmiereigenschaften. Der Überzug 15 auf den angereicherten Kernbrennstofftabletten absorbiert also die schädlichen Spaltprodukte, die eine chemische Spezies darstellen, die zu Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkungs-Spannungskorrosionrißbildung beiträgt, und die Graphitschicht 7 auf der Innenoberfläche des metallenen Hüllrohrs erzeugt die Schmierung, die hohe Hüllrohrspannungen vermeidet. Infolgedessen verringert die vorliegende Erfindung beide für eine Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkungs-Spannunskorrosionsrißbildung notwendigen Bedingungen, nämlich den Spannungspegel und die Konzentration schädlicher chemischer Spaltprodukte.

Claims

Gegen Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkung resistente Brennstab mit einer metallenen rohrförmigen Hülle (13), die aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung besteht und eine Vielzahl zylindrischer, aus angereichertem Uranoxyd bestehenden Kernbrennstofftabletten (9) enthält, sowie Endverschlüsse (19) zum hermetischen Abschluß der Kernbrennstofftabletten in der metallenen rohrförmigen Hülle aufweist,

gekennzeichnet durch die Kombination einer auf der Innenoberfläche (5) der metallenen rohrförmigen Hülle aufgebrachten Graphitschmierschicht (7) und aus einem auf der Umfangsoberfläche (13) der Brennstofftabletten aufgebrachten, Spaltprodukte absorbierenden Überzug (15),

wobei die Graphitschicht (7) eine Dicke zwischen 4 und 50 Mikrometer hat,

wobei weiter der Überzug (15) aus einem abbrennbaren Absorber aus der Gruppe Zirkoniumborid, Borcarbid, Bornitrid, Gadoliniumoxyd und einer abbrennbaren Absorberglasurzusammensetzung, oder aus einem verhältnismäßig schwach neutronenabsorbierenden Material aus der Gruppe Zirkoniumoxyd, Aluminiumoxyd, Zirkonium, Nickel Chrom und Kupfer besteht,

und wobei der Überzug (15) eine Dicke zwischen 10 und 200 Mikrometer hat.